阅读说明：本技术 将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法 (Method for converting corn straws into reducing sugar and dietary fiber ) 是由 尹清强 刘超齐 王平 常娟 党晓伟 朱群 李茂龙 张瑞 李慧娟 耿启泉 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及秸秆处理领域,具体而言,涉及一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法。本发明的将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法,包括以下步骤：将玉米秸秆和碱溶液的混合物进行蒸汽处理,再与酶混合进行酶解；所述碱溶液主要由氢氧化钠、氧化钙和水混合制备得到；所述酶包括纤维素酶和/或β-葡聚糖酶。本发明的方法得到的产品营养丰富,用作动物饲料可促进动物生长,调节肠道健康,对降低仔猪腹泻具有很好的效果。(The invention relates to the field of straw treatment, in particular to a method for converting corn straws into reducing sugar and dietary fiber. The method for converting the corn straws into the reducing sugar and the dietary fiber comprises the following steps: performing steam treatment on the mixture of the corn straws and the alkali solution, and mixing the mixture with enzyme for enzymolysis; the alkali solution is mainly prepared by mixing sodium hydroxide, calcium oxide and water; the enzyme comprises cellulase and/or beta-glucanase. The product obtained by the method is rich in nutrition, can promote animal growth and regulate intestinal health when being used as animal feed, and has a good effect of reducing piglet diarrhea.)

将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法

技术领域

本发明涉及秸秆处理领域，具体而言，涉及一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法。

背景技术

木质纤维素是地球上最丰富的可再生自然资源，其中农作物秸秆占据很大一部分，我国每年产量约6-7亿吨。玉米秸秆是农作物秸秆中最典型的代表，其产量达到农作物秸秆产量的35％左右。这些玉米秸秆只有不到50％被利用，大部分被燃烧、掩埋和腐烂掉，不仅造成资源浪费和环境污染，而且不利于作物的生长。玉米秸秆的主要成分为木质纤维素，由纤维素、半纤维素和木质素组成，纤维素是由葡萄糖通过β-1，4-糖苷键连接而成的大分子多糖，是转化为能源物质或者饲料资源的关键底物。纤维素被半纤维素和木质素紧密地包裹在内部，与外界纤维素水解酶很难接触，这种结构的顽固性造就了玉米秸秆很难被重复利用。现有技术中关于对于秸秆的处理方法较复杂，并且处理后得到的营养成分不佳，难以满足促进动物的健康生长。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

根据本发明的一个方面，本发明涉及一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，包括以下步骤：

将玉米秸秆和碱溶液的混合物进行蒸汽处理，再与酶混合进行酶解；

所述碱溶液包括氢氧化钠和氧化钙的混合液；

所述酶包括纤维素酶和/或β-葡聚糖酶。

本发明采用氢氧化钠和氧化钙作为预处理的化学试剂，结合蒸汽作用对玉米秸秆进行预处理效果研究，然后选择纤维素酶和β-葡聚糖酶对预处理玉米秸秆进行酶解研究，以获得不同还原糖和膳食纤维含量的产品。该方法简单易行。该方法得到的产品营养丰富，用作动物饲料可促进动物生长，调节肠道健康，对降低仔猪腹泻具有很好的效果。

根据本发明的另一个方面，本发明还涉及一种采用如上所述的将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法调节还原糖和纤维素含量的方法，通过调节所述酶解的条件，得到不同含量的还原糖和纤维素的玉米秸秆。

本发明通过采用如上所述的将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法调节还原糖和纤维素含量，进而获得不同类型的还原糖和纤维素，因此其用于动物饲料具有不同的功效。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用氢氧化钠和氧化钙作为预处理的化学试剂，结合蒸汽作用对玉米秸秆进行预处理效果研究，然后选择纤维素酶和β-葡聚糖酶对预处理玉米秸秆进行酶解研究，以获得不同还原糖和膳食纤维含量的产品。该方法简单易行。将玉米秸秆中含有丰富的纤维素成分，转化为可被动物利用的单糖和膳食纤维，将达到变废为宝目的。在转化为动物的饲料资源过程中，既要将纤维素分解转化为糖类物质，又要保留合适的纤维素含量是非常有必要的，这样就同时赋予所生产的产品既具有营养功能又具有调节动物肠道健康的功效，这对玉米秸秆中纤维素资源的开发和利用具有重要的社会效益和经济效益。该方法得到的产品营养丰富，用作动物饲料可促进动物生长，调节肠道健康，对降低仔猪腹泻具有很好的效果。

(2)本发明通过采用如上所述的将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法调节还原糖和纤维素含量，进而获得不同类型的还原糖和纤维素，因此其用于动物饲料具有不同的功效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明不同因素(纤维素酶与β-葡聚糖酶)对纤维素含量的优化趋势图；

图2为本发明不同因素(纤维素酶与酶解时间)对纤维素含量的优化趋势图；

图3为本发明不同因素(β-葡聚糖酶与酶解时间)对纤维素含量的优化趋势图；

图4为不同因素(纤维素酶与β-葡聚糖酶)对总还原糖的优化趋势图；

图5为不同因素(纤维素酶与酶解时间)对总还原糖的优化趋势图；

图6为不同因素(β-葡聚糖酶与酶解时间)对总还原糖的优化趋势图；

图7为未处理玉米秸秆的扫描电镜图像；

图8为碱+蒸汽处理玉米秸秆的扫描电镜图像；

图9为中糖中纤维玉米秸秆的扫描电镜图像；

图10为高糖低纤维玉米秸秆的扫描电镜图像。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

根据本发明的一个方面，本发明涉及一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，包括以下步骤：

将玉米秸秆和碱溶液的混合物进行蒸汽处理，再与酶混合进行酶解；

所述碱溶液包括氢氧化钠和氧化钙的混合液；

所述酶包括纤维素酶和/或β-葡聚糖酶。

纤维素酶和β-葡聚糖酶购于山东泽生生物技术有限公司。根据美国可再生能源实验室(NREL)NREL/TP-510-42628和中华人民共和国农业行业标准NY/T 911-2004测定纤维素酶活和β-葡聚糖酶活。纤维素酶酶活为322.37FPU/g，β-葡聚糖酶活为10000U/g。

碱和蒸汽预处理玉米秸秆破坏木质纤维素的结构，打破半纤维素与木质素和纤维素的连接，使得表面出现缝隙，使纤维素暴露，增大了酶的接触面积，利于酶的水解，暴露出的纤维素被酶水解以后，结构坍塌，出现萎缩，缝隙变大。另外，酶解能够明显地降低纤维素的结晶度及秸秆表面积。

优选地，所述玉米秸秆和所述碱溶液的质量比为1：(4～6)；

在一种实施方式中，所述玉米秸秆和所述碱溶液的质量比为1：(4.5～6)，还可以选择1:4.5、1:5.0或1:5.5。

优选地，所述碱溶液中氢氧化钠的浓度为6.5～40g/L；

在一种实施方式中，所述碱溶液中氢氧化钠的浓度为6.5～40g/L，还可选择7g/L、8g/L、9g/L、10g/L、12g/L、15g/L、18g/L、20g/L、25g/L、28g/L、30g/L、35g/L或38g/L。

优选地，所述氢氧化钠和所述氧化钙的质量比为1：(1～2)。

在一种实施方式中，所述氢氧化钠和所述氧化钙的质量比为1：(1～2)，还可以选择1：1.1、1：1.2、1：1.5、1：1.7或1：1.9。

优选地，所述蒸汽处理的时间为0.5～2h。

优选地，所述纤维素酶的添加量为1.36～68.64FPU/g秸秆；

优选地，所述β-葡聚糖酶的添加量为431.88～8168.12U/g秸秆。

优选地，所述纤维素酶的添加量为10～20FPU/g秸秆，所述β-葡聚糖酶的添加量为1800～2200U/g秸秆。

优选地，所述纤维素酶的添加量为45～55FPU/g秸秆，所述β-葡聚糖酶的添加量为6000～6800U/g秸秆。

优选地，所述酶解过程中的调节pH为4.5～5.5，酶解温度为40～60℃，酶解时间为10～96h。

优选地，在所述玉米秸秆和碱溶液的混合物中，玉米秸秆的长度为0.8～1.2mm；

在一种实施方式中，所述玉米秸秆的长度为0.8～1.2mm，还可以选择0.9mm、1mm、1.1mm。

优选地，对所述蒸汽处理后得到的混合物进行干燥和粉碎处理；

优选地，所述干燥的温度为55～70℃；

优选地，所述粉碎处理后的玉米秸秆粒径为40目。

优选地，对酶解后的混合物用水煮50～70min。

采用如上所述的将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法调节还原糖和纤维素含量的方法，通过调节所述酶解的条件，得到不同含量的还原糖和纤维素的玉米秸秆；

优选地，当纤维素酶的添加量为10～20FPU/g秸秆，所述β-葡聚糖酶的添加量为1800～2200U/g秸秆，酶解时间为12～14h，得到的所述玉米秸秆中还原糖的总量为250～300mg/g，纤维素的含量为10～15％；

优选地，当纤维素酶的添加量为45～55FPU/g秸秆，所述β-葡聚糖酶的添加量为6000～6800U/g秸秆，酶解时间为35～45h，得到的所述玉米秸秆中还原糖的总量≥400mg/g，纤维素的含量≤7％。

将玉米秸秆中含有丰富的纤维素成分，转化为可被动物利用的单糖和膳食纤维，将达到变废为宝目的。在转化为动物的饲料资源过程中，既要将纤维素分解转化为糖类物质，又要保留合适的纤维素含量是非常有必要的，这样就同时赋予所生产的产品既具有营养功能又具有调节动物肠道健康的功效，这对玉米秸秆中纤维素资源的开发和利用具有重要的社会效益和经济效益。本发明两种特定类型的产物，即中糖中纤维和高糖低纤维作为动物饲料可发挥不同的功效，具有不同的应用。

优选地，所述纤维素含量与所述酶解条件的多元二次回归拟合方程为：

Y₁＝16.3610-0.1143X₁-2.2175X₂-0.2506X₃+4.3136X₁X₂+1.0954X₁X₃-1.9418X₂X₃+4.1250X₁ ²-1.5580X₂ ²+2.6779X₃ ²；

所述还原糖的总量与所述酶解条件的多元二次回归拟合方程为：

Y₂＝144.4376+3.4097X₁+0.01251X₂+6.5663X₃-0.0002X₁X₂-0.0086X₁X₃+0.0002X₂X₃-0.0191X₁ ²+0.000001X₂ ²-0.0895X₃ ²；

其中，Y₁代表纤维素含量，Y₂代表还原糖的总量，X₁代表纤维素酶的添加量，X₂代表β-葡聚糖酶的添加量，X₃代表酶解时间。

两个回归模型的决定系数为R²＝0.9411和0.9838及校正R²＝0.8653和0.9629，说明回归方程的拟合度越好，可以较好地反映模型的变化。因此，可用该回归模型对预处理玉米秸秆酶解效果进行分析和预测。

在一种优选的实施方案中，本发明中糖中纤维的酶解方案为：纤维素酶15FPU/g秸秆、β-葡聚糖酶2000U/g秸秆和酶解时间12h，得到总还原糖量和纤维素含量分别为288.30mg/g和11.64％。

在一种优选的实施方案中，高糖低纤维的酶解方案为：纤维素酶52.39FPU/g秸秆、β-葡聚糖酶6599.99U/g秸秆和酶解时间40h，得到最高总还原糖量和最低纤维素含量分别为493.74mg/g和6.57％。

本发明的玉米秸秆来自河南省登封市。风干的玉米秸秆经锤片粉碎机粉碎至1mm左右，并在室温下保存以备后用。

试验仪器设备包括：锤片式粉碎机(9FQ-420型郑州千鼎机械设备有限公司)、三层蒸锅(浙江苏泊尔有限公司)、电子天平(AB204-N)、紫外可见分光光度计(752型上海菁华科技有限公司)、磁力加热搅拌器(79-1金坛市中大仪器厂)、pH仪(PHS-2C酸度计)、滤纸(Whatman 4)，恒温震荡摇床(上海新苗仪器有限公司)，烘箱(天津市泰斯特仪器有限公司)。

下面将结合具体的实施例对本发明作进一步的解释说明。

实施例1

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，包括以下步骤：

将60g玉米秸秆放入到烧杯中，加入碱溶液，所述碱溶液是将2.40g NaOH和3.60gCaO溶解在60mL蒸馏水中制备得到，混匀后放入自封袋中，而后放在不锈钢三层蒸锅中，在50Hz和2200W功率下采用蒸汽处理1h；预处理后的样品加入540mL蒸馏水，加入纤维素酶22.50FPU/g秸秆，用1/3盐酸调节pH为4.3，在200r/min恒温震荡器中进行酶解48h，温度为48℃；酶解结束后，沸水煮60min终止反应，静止10min，取上清测还原糖含量，剩余样品在65℃下干燥、粉碎，测定木质纤维素组分含量。

实施例2

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，包括以下步骤：

将60g玉米秸秆放入到烧杯中，加入碱溶液，所述碱溶液是将2.40g NaOH和3.60gCaO溶解在60mL蒸馏水中制备得到，混匀后放入自封袋中，而后放在不锈钢三层蒸锅中，在50Hz和2200W功率下采用蒸汽处理1h；预处理后将样品在65℃下干燥，粉碎通过40目筛，测定木质纤维素组分和还原糖含量；

酶解过程：取5.0g处理后的玉米秸秆，放入100mL的三角瓶中，加入50mL蒸馏水，加入纤维素酶22.50FPU/g秸秆，用1/3盐酸调节pH为4.3，在200r/min恒温震荡器中进行酶解48h，温度为48℃；酶解结束后，沸水煮60min终止反应，静止10min，取上清测还原糖，剩余样品在65℃下干燥、粉碎，测定木质纤维素组分含量。

实施例3

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除采用蒸汽处理1.5h以外，其他条件同实施例2。

实施例4

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除采用蒸汽处理2h以外，其他条件同实施例2。

实施例5

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除采用蒸汽处理0.5h以外，其他条件同实施例2。

实施例6

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除所述碱溶液是将2.40g NaOH和3.60g CaO溶解在120mL蒸馏水中制备得到，其他操作同实施例1。

实施例7

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除所述碱溶液是将2.40g NaOH和3.60g CaO溶解在180mL蒸馏水中制备得到，其他操作同实施例1。

实施例8

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除所述碱溶液是将2.40g NaOH和3.60g CaO溶解在240mL蒸馏水中制备得到，其他操作同实施例1。

实施例9

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除所述碱溶液是将2.40g NaOH和3.60g CaO溶解在300mL蒸馏水中制备得到，其他操作同实施例1。

实施例10

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除所述碱溶液是将2.40g NaOH和3.60g CaO溶解在360mL蒸馏水中制备得到，其他操作同实施例1。

实施例11

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除盐酸调节酶解体系的pH为4.5，其他操作条件同实施例9。

实施例12

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除盐酸分别调节酶解体系的pH为5.0，其他操作条件同实施例9。

实施例13

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除盐酸分别调节酶解体系的pH为5.5，其他操作条件同实施例9。

实施例14

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除酶解温度为45℃外，其他操作条件同实施例12。

实施例15

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除酶解温度为50℃外，其他操作条件同实施例12。

实施例16

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除酶解温度为55℃外，其他操作条件同实施例12。

实施例17

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除纤维素酶的量为20FPU/g秸秆，其他操作条件同实施例15。

实施例18

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除纤维素酶的量为40FPU/g秸秆，其他操作条件同实施例15。

实施例19

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除纤维素酶的量为60FPU/g秸秆，其他操作条件同实施例15。

实施例20

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除纤维素酶的量为80FPU/g秸秆，其他操作条件同实施例15。

实施例21

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除酶解的时间为24h，其他操作条件同实施例19。

实施例22

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除酶解的时间为72h，其他操作条件同实施例19。

实施例23

一种将玉米秸秆转化为还原糖和膳食纤维的方法，除酶解的时间为96h，其他操作条件同实施例19。

实施例24

采用响应面软件8.0.6的中心复合试验设计(CCD)，对酶解的纤维素酶量、β-葡聚糖酶量和酶解时间进行优化。基于前面单因素试验结果，各因素范围如下：纤维素酶量1.36-68.64FPU/g秸秆、β-葡聚糖酶量431.88-8168.12U/g秸秆和酶解时间2.45-49.55h。试验因素及水平如表1。

表1试验因素及编码水平表

采用响应面软件8.0.6的中心复合试验设计实施例共17个，见表8。

实施例

一、本发明各指标测定方法如下：

1.还原糖测定：取处理后秸秆5.0000g，加入50mL蒸馏水，浸泡12h，静止10min，取上清用DNS法测定还原糖含量。酶解后的样品，直接取上清液测定还原糖含量。

2.木质纤维素的测定：利用滤袋法，参照国标GB/T20806-2006测中性洗涤纤维(NDF)；参照Van Soest测定酸性洗涤纤维(ADF)；参照国标GB/T20805-2006测定酸性洗涤木质素(ADL)。

计算方法：纤维素＝ADF-ADL-灰分；半纤维素＝NDF-ADF。

3.秸秆表面形态学观察：采用美国俄勒冈州希尔斯伯勒市FEI公司生产的Quanta250FEG仪器进行表面形态观察。首先将导电胶粘在样品台上，并将样品均匀涂抹在导电胶上，放于HITACHI E-101型离子溅射仪器内，进行真空喷金镀膜，然后放于扫描电镜下，在放大倍率10000×下观察。

4.纤维素结晶度测定：采用德国布鲁克斯AXS有限公司的D8-FOCUS衍射仪进行纤维素结晶度分析。在Cu Ka为射线源(λ＝0.154nm)和Ni滤光条件下，操作电压为40kV，管电流35mA，采用2θ联动扫描，扫描范围为4-40°，步长为0.01°。结晶指数计算采用Segal经验法进行，计算公式如下：

CrI(％)＝100×(I₀₀₂-I_am)/I₀₀₂

CrI表示结晶指数；

I₀₀₂为2＝22.1°时晶体结构的衍射强度；

I_am为2＝18.3°时非晶体结构的衍射强度。

5.孔结构表征：采用美国Norcross公司的麦克ASPA 2420全自动比表面及孔隙度分析仪进行样品的比表面积、孔体积和孔径测定。根据多点Brunauer-Emmett-Teller(BET)程序，对样品进行22℃脱气7h，然后在77.35k液氮环境下进行氮气吸附和解吸。

6、数据统计与分析：试验数据采用SPSS20统计分析软件进行方差分析和Turkey多重比较，差异显著用P<0.05表示，所有结果均以平均值±标准差表示。

二、实验结果及分析

1、蒸汽预处理时间对玉米秸秆的主要成分及总还原糖含量的影响如表2所示。

表2蒸汽预处理时间对玉米秸秆的主要成分及总还原糖含量的影响(％，n＝3)

备注如下：

组1:普通秸秆；

组2:普通秸秆+碱+蒸汽处理0.5h(实施例5中的碱加蒸汽处理方法)；

组3:普通秸秆+碱+蒸汽处理1.0h(实施例2中的碱加蒸汽处理方法)；

组4(实施例3中的碱加蒸汽处理方法):普通秸秆+碱+蒸汽处理1.5h；

组5(实施例4中的碱加蒸汽处理方法):普通秸秆+碱+蒸汽处理2.0h；

组6:普通秸秆酶解48h；

组7(实施例5):普通秸秆+碱+蒸汽处理0.5h+酶解48h；

组8(实施例2):普通秸秆+碱+蒸汽处理1.0h+酶解48h；

组9(实施例3):普通秸秆+碱+蒸汽处理1.5h+酶解48h；

组10(实施例4)；普通秸秆+碱+蒸汽处理2.0h+酶解48h；

同一列中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，而同一列中相同字母或无字母表示差异不显著(P>0.05)。下同。

如表2所示，随着碱+蒸汽预处理时间的延长，纤维素，木质素和还原糖的含量与普通玉米秸秆组相比，差异不显著(P>0.05)。半纤维素的含量与普通玉米秸秆组相比，降低了27.73％～39.06％(P<0.05)。表明碱+蒸汽预处理可以破坏玉米秸秆中半纤维素结构，对纤维素和木质素没影响。经碱+蒸汽预处理的玉米秸秆，再经纤维素酶水解后，纤维素的含量比普通秸秆降低了55.11％～63.70％，比普通秸秆+纤维素酶水解降低了36.25％～48.45％(P<0.05)；总还原糖的含量在碱+蒸汽预处理后达到了258.35～308.46mg/g(P<0.05)。在蒸汽预处理1.0～2.0h后，总还原糖含量达到了303.19～308.46mg/g(P>0.05)，且纤维素含量在蒸汽预处理1.0h时含量最低，因此，碱+蒸汽预处理的时间优选为1.0h。

2、液固比对玉米秸秆化学成分及总还原糖产量的影响

碱溶液与玉米秸秆的固液比对玉米秸秆处理效果的影响如表3所示；

表3碱溶液与玉米秸秆的固液比对玉米秸秆处理效果的影响(％，n＝3)

碱溶液与玉米秸秆的固液比对玉米秸秆处理效果的影响如表3所示，随着液固比的增大，纤维素含量逐渐降低，当液固比为5:1(实施例9)时，纤维素含量降低了40.49％，与液固比为6:1(实施例10)相比差异不显著(P>0.05)。总还原糖的变化趋势与纤维素变化趋势相反，在液固比为5:1时达到最大含量，与液固比为6:1相比差异不显著(P>0.05)。半纤维素和木质素的含量在液固比为5:1时含量最低，因此，选择液固比为5:1作为碱溶液与玉米秸秆混合时的最佳比例。

3、酶解条件的单因素研究

酶解pH对玉米秸秆化学成分及总还原糖产量的影响如表4所示，酶解温度对玉米秸秆化学成分及总还原糖产量的影响如表5所示；酶用量对玉米秸秆化学成分及总还原糖产量的影响如表6所示；酶解时间对玉米秸秆化学成分及总还原糖产量的影响如表7所示。

表4酶解pH对玉米秸秆化学成分及总还原糖产量的影响(％，n＝3)

说明：表中酶解pH分别为4.0、6.0、6.5、7.0时，其他操作条件同实施例9。

由表4可知，将酶解体系的pH用盐酸调至4.5～5.5，酶解后的纤维素含量降低到6.65～7.52％(P>0.05)，总还原糖的产量达到了337.45～287.75mg/g(P>0.05)。在此之后，随着体系中pH的升高，纤维素含量也相应升高(P<0.05)，而总还原糖却逐渐降低(P<0.05)。为避免过多引入氯离子，酶解体系的pH的优选为5.0。

表5酶解温度对玉米秸秆化学成分及总还原糖产量的影响(％，n＝3)

由表5可知，随着酶解温度的升高，酶解后纤维素含量先降低后升高，其含量在45℃最低并且与50℃差异不显著(P>0.05)。半纤维含量在40℃最低，在60℃最高，两者差异显著(P<0.05)，而与其他组差异不显著(P>0.05)。木质素含量在40℃最高，与其他温度下差异显著(P<0.05)，而其他温度之间差异不显著(P>0.05)。总还原糖在50℃最高，与其他组相比差异显著(P<0.05)。因此，酶解的温度优选为50℃。

表6酶用量对玉米秸秆化学成分及总还原糖产量的影响(％，n＝3)

由表6可知，随着纤维素酶量的增加，纤维素含量逐渐降低，纤维素酶量为80FPU/g秸秆时，纤维素含量最低，与60FPU/g秸秆酶解后的纤维素含量差异不显著(P>0.05)，而与其他组相比差异显著(P<0.05)。半纤维素含量在40FPU/g秸秆时最低，在80FPU/g秸秆时最高，两者差异显著(P<0.05)，但两者与60FPU/g秸秆相比，都差异不显著(P>0.05)。纤维素酶量对木质素的含量没有影响(P>0.05)。总还原糖含量也是随着纤维素酶添加量的升高而增加，并且在80FPU/g秸秆与60FPU/g秸秆时差异不显著(P>0.05)。因此，纤维素酶的添加量优选为60FPU/g秸秆。

表7酶解时间对玉米秸秆化学成分及总还原糖产量的影响(％，n＝3)

说明：酶解时间为96h，其他条件同实施例19。

由表7所示，与未经过酶解的玉米秸秆相比，经过酶解的玉米秸秆纤维素和半纤维素含量都明显降低(P<0.05)，纤维素含量与酶解时间的长短没有关系(P>0.05)，酶解48h后，对半纤维的含量影响不大(P>0.05)。另外，酶解时间对秸秆中的木质素没有影响(P>0.05)。总还原糖在酶解48h后达到了352.92～370.61mg/g，且72h和96h之间差异不显著(P>0.05)。因此，酶解的时间优选为48h。

综上所述，酶解体系优选的pH为5.0，温度50℃，纤维素酶60FPU/g秸秆，酶解时间为48h。

4、响应面优化酶解条件

采用响应面的中心复合试验设计，对酶解体系中的纤维素酶、β-葡聚糖酶和酶解时间进行优化。试验分为17个组，有3个组为中心点。按照各组的条件进行试验，得出的纤维素、半纤维素、木质素、总还原糖、纤维素的预测值和总还原糖的预测值如表8所示。通过对纤维素和总还原糖进行回归拟合及回归方差分析如表9和表10所示。

利用Design-Expert 8.0.6对纤维素和总还原糖的数据分别进行多元二次回归拟合，得出回归方程如下：

纤维素含量的回归方程：Y＝16.3610-0.1143X₁-2.2175X₂-0.2506X₃+4.3136X₁X₂+1.0954X₁X₃-1.9418X₂X₃+4.1250X₁ ²-1.5580X₂ ²+2.6779X₃ ²。

总还原糖产量的回归方程：Y＝144.4376+3.4097X₁+0.01251X₂+6.5663X₃-0.0002X₁X₂-0.0086X₁X₃+0.0002X₂X₃-0.0191X₁ ²+0.000001X₂ ²-0.0895X₃ ²。

式中X₁代表纤维素酶添加量，X₂代表β-葡聚糖酶添加量，X₃代表酶解时间。从表9和10可以看出，上述纤维素和总还原糖回归模型P＝0.0016和P<0.0001，表明这两个回归模型在统计学上有意义。这两个回归模型中纤维素酶添加量X₁(P＝0.0015和P＝0.0002)、β-葡聚糖酶添加量X₂(P＝0.0063和P<0.0001)、酶解时间X₃(P＝0.0001和P<0.0001)和X₃ ²(P＝0.0166和P＝0.0015)，表明这些因素对纤维素和总还原糖有显著影响。X₁X₂、X₁X₃和X₂X₃中的P值均大于0.05，表明三因素之间不存在交互作用。失拟项P值为0.2259和0.1023均大于0.05，即回归方程模型失拟不显著，则说明方程的拟合度较好。两个回归模型的决定系数为R²＝0.9411和0.9838及校正R²＝0.8653和0.9629，说明回归方程的拟合度越好，可以较好地反映模型的变化。因此，可用该回归模型对预处理玉米秸秆酶解效果进行分析和预测。

基于响应面结果分析及软件模拟最优方案，得出当纤维素酶添加量为52.39FPU/g秸秆、β-葡聚糖酶添加量为6599.99U/g秸秆和酶解时间为40h时，得到最高还原糖量和最低纤维素含量，预测值分别为490.07mg/g秸秆和6.90％，经试验验证为493.74mg/g秸秆和6.57％，说明高糖低纤维最优方案可行。另外，当纤维素酶添加量为15FPU/g秸秆、β-葡聚糖酶添加量为2000U/g秸秆和酶解时间为12h时，得到中等水平的还原糖量和纤维素含量，预测值为284.39mg/g秸秆和11.89％。经过试验验证，其值为288.30mg/g秸秆和11.64％，说明中糖中纤维最优方案可行。

表8纤维素、半纤维素、木质素、总还原糖、纤维素、总还原糖的预测值；

表9纤维素回归方程系数的方差分析

表10总还原糖回归方程系数的方差分析

图1、图2、图3所示是响应面图及对应的等值线图，表示三个因素中一个因素在0水平条件下，另外两个因素对响应值纤维素的影响关系。图1、图2、图3表示，纤维素酶和β-葡聚糖酶、纤维素酶和酶解时间以及β-葡聚糖酶和酶解时间的交互作用对纤维素含量的影响不显著。当其中一个因素固定时，随着另外两种因素的增加，纤维素含量逐渐降低。

图4、图5、图6是反映三因素对响应值总还原糖的影响。图4表示，酶解时间为26h时，纤维素酶和β-葡聚糖酶的交互作用对总还原糖含量的影响不显著。当纤维素酶含量一定时，随着β-葡聚糖酶添加量的升高，总还原糖也逐渐升高。这种升高的趋势比纤维素酶这一因素影响总还原糖升高的趋势大。图5表示，β-葡聚糖酶为4300U/g秸秆时，纤维素酶和酶解时间的交互作用对总还原糖含量的影响不显著。当纤维素酶含量一定时，随着酶解时间的延长，总还原糖升高的趋势先大后小。而随着纤维素酶添加量的增大，总还原糖逐渐升高的趋势较少。图6表示，纤维素酶为35FPU/g秸秆时，β-葡聚糖酶和酶解时间的交互作用对总还原糖含量的影响不显著。当酶解时间一定时，随着β-葡聚糖酶添加量的增加，总还原糖逐渐升高。而当β-葡聚糖酶一定时，随着酶解时间的逐渐延长，总还原糖逐渐升高的趋势先大后小。

5、为了从微观结构上分析碱+蒸汽预处理秸秆和酶解的效果，本文采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪和全自动比表面及孔隙度分析仪对如下四组样品进行指标测定，样品粉碎后过80目筛，按照各种仪器测定步骤进行。

A组：普通玉米秸秆；

B组：碱+蒸汽预处理玉米秸秆；

C组：根据响应面优化的糖量在250-300mg/g，纤维素含量在15-20％的处理组，即中糖中纤维组；

D组：根据响应面优化的糖量在400mg/g以上，纤维素含量在7％以下的处理组，即高糖低纤维组。

5.1、不同处理对玉米秸秆微观结构的影响

通过扫描电子显微镜分析处理前后玉米秸秆表面形态变化，以此来评价预处理和酶水解的效果。在图3中，所有图片都是选择放大10000倍的图片。图7、图8、图9和图10分别代表未处理的玉米秸秆、碱+蒸汽预处理的玉米秸秆、中糖中纤维玉米秸秆和高糖低纤维玉米秸秆。可以看出，图7表面比较光滑紧密、平整；图8表面粗糙，出现细小裂缝和多孔结构；图9表皮更为粗糙，裂缝变大；图10表皮最粗糙，结构坍塌，出现萎缩，并成团，缝隙更大。结果表明，碱+蒸汽预处理玉米秸秆破坏木质纤维素的结构，打破半纤维素与木质素和纤维素的连接，才使得表面出现缝隙，使纤维素暴露，增大了酶的接触面积，利于酶的水解，暴露出的纤维素被酶水解以后，结构坍塌，出现萎缩，缝隙变大。

5.2、不同处理的玉米秸秆样品X-射线衍射

纤维素是由结晶结构和非结晶结构组成，结晶结构中含有大量的氢键，这些氢键的存在阻碍了纤维素降解。只有氢键被破坏，结晶指数降低，纤维素才能更好地被利用。因此，人们常常用结晶指数来判断木质纤维素的消化率。有两个典型的峰(2θ＝16.5和22.0°)和一个波谷(2θ＝18.3°)，分别代表纤维素(101和002)的结晶区域和无定形区域。玉米秸秆经过不同处理的X射线衍射图，在31.6°处的峰是NaCl晶体峰，是用HCl调节酶解后产生的。与未处理的玉米秸秆相比，蒸汽+碱预处理的玉米秸秆、酶解预处理玉米秸秆的结晶区和非结晶区没有显着变化，表明纤维素的结晶形式不受预处理或酶解的影响。然而，结晶区域(101和002)中的峰逐渐减小，其中结晶区域002的衍射强度比结晶区域101中的衍射强度下降更快，表明结晶区域002容易受到蒸汽+碱处理的影响。根据结晶指数计算，未处理的玉米秸秆、碱+蒸汽预处理的玉米秸秆、中糖中纤维玉米秸秆和高糖低纤维玉米秸秆分别为52.80％、55.02％、45.99％和38.85％，这表明酶解能够明显降低纤维素的结晶度，这与酶水解产生的高总还原糖产量相符。

5.3、不同处理组玉米秸秆的表面积、孔体积及孔径结果

不同处理组玉米秸秆的表面积、孔体积及孔径结果如表11所示；

表11不同处理组玉米秸秆的表面积、孔体积及孔径结果

注：(A)未处理玉米秸秆；(B)碱+蒸汽处理玉米秸秆；(C)中糖中纤维玉米秸秆；(D)高糖低纤维玉米秸秆。

预处理和酶水解对玉米秸秆的表面结构影响很大，包括表面积(SSA)、孔体积和孔径。从表11中可以看出，碱+蒸汽处理玉米秸秆和中糖中纤维玉米秸秆的SSA、孔体积和孔径的数值都要比未处理的玉米秸秆更大，说明碱+蒸汽处理及低剂量酶解提高了秸秆的表面积；而高糖低纤维玉米秸秆，其数值都比其他组的玉米秸秆小，表明高剂量酶解作用降低了纤维素的含量，使秸秆表面积降低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。